JP6595148B2 - 排ガスの減圧除害装置 - Google Patents

Description

本発明は、主として電子産業の製造プロセスより排出される可燃性ガス、有毒ガス、温室効果ガスなどの有害ガスの処理に好適な排ガスの除害方法とその装置とに関する。

半導体や液晶などを製造する電子産業では、シリコン窒化膜ＣＶＤ，シリコン酸化膜ＣＶＤ，シリコン酸窒化膜ＣＶＤ，ＴＥＯＳ酸化膜ＣＶＤ，高誘電率膜ＣＶＤ，低誘電率膜ＣＶＤ及びメタル膜ＣＶＤなどの様々なＣＶＤプロセスが使われる。
このうち、例えばシリコン系薄膜の形成には、主として爆発性や毒性を有するシラン系ガスを用いたＣＶＤ法が使われている。このＣＶＤ法で使用された上記シラン系ガスを含むプロセスガスは、ＣＶＤプロセスで使用された後、排ガスとして下記の特許文献１に記載のような除害装置で無害化されるが、従来より、かかる除害装置の手前で、排ガス中のシラン系ガスを爆発限界以下まで希釈するために大量の希釈用窒素ガスが投入されていた。
ここで、典型的なシリコン酸窒化膜ＣＶＤでは、ＳｉＨ₄／ＮＨ₃／Ｎ₂Ｏ＝１ｓｌｍ／１０ｓｌｍ／１０ｓｌｍ(ｓｌｍ；standard liter per minute，１ａｔｍ、０℃における１分間辺りの流量をリットルで表示した単位)が使われるが、ＳｉＨ₄の爆発範囲が１．３％〜１００％であるため、ＣＶＤプロセスから排出されたこのようなガスは、直ちに希釈用窒素ガスで約７６倍程度希釈をする必要がある。かかる希釈を行えば、例えば下記の特許文献１に示す従来の燃焼方式や、大気圧プラズマ方式の熱分解装置で安全且つ確実に除害処理をすることができる。

特開平１１−３３３２４７号公報

しかしながら、上記の従来技術には、次のような問題があった。
すなわち、上述のように窒素ガスで希釈されたシラン系ガスを含む排ガス全体を分解温度まで加熱するのに必要なエネルギーは、希釈前のシラン系ガスを含む排ガスのみを加熱する場合の約７６倍のエネルギーが必要となる。つまり、従来の窒素ガスでの希釈が必要な除害プロセスでは、多量な窒素ガスの使用に伴うコストアップのみならず、排ガスの除害に直接関係が無い窒素ガスも加熱しなければならないため、エネルギー効率が低く、電力或いは燃料などのコストアップも招いていた。

それゆえに、本発明の主たる目的は、安全性を損なうことなく希釈用の窒素ガスの使用を極小化でき、エネルギー効率に優れた経済性の高い排ガスの除害方法とその装置とを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、排ガスの除害を減圧下で行なう事により対処している。
すなわち、本発明における第１の発明は、真空ポンプ１４を介して排ガス発生源１２より供給される排ガスＥを、減圧状態に保ちフレーム２２の燃焼熱で分解処理する、ことを特徴とする排ガスの減圧除害方法である。

この第１の発明は、例えば、次の作用を奏する。
真空ポンプ１４を介して排ガス発生源１２より供給される排ガスＥを、減圧状態に保ちフレーム２２の燃焼熱で分解処理するため、希釈用の窒素ガスが不要か極少量で足りることとなる。
また、このように窒素ガスでの希釈が不要か極少量で足りるため、フレーム２２の燃焼熱のほぼ全てを直接的に排ガスＥの分解に使用することができるのに加え、排ガスＥの発生源から処理部までが減圧下にあるため、排ガスＥ中に人体にとって有毒なものが含まれる場合であっても、フレーム２２の燃焼熱で加熱分解処理される前に当該排ガスＥが系外へ漏れ出す心配はない。
さらに、加熱分解処理の熱源としてフレーム２２を使用することにより、現在の排ガス除害装置の主流の方式の一つである大気圧燃焼方式の実績・経験をそのまま利用でき、かかる方式の排ガス除害装置における付帯配管などの多くの既存設備をそのまま転用することもできるといった利点を有する。また、電力の消費を削減してランニングコストの低減を図ることができる。

ここで、前記第１の発明においては、前記の減圧状態が、１Ｔｏｒｒ以上で且つ４００Ｔｏｒｒ以下の範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは１００±５０Ｔｏｒｒの範囲内である。
減圧状態が１Ｔｏｒｒ未満の場合には、高度な真空環境を実現するために高価で大掛かりな装置が必要になり、逆に、減圧状態が４００Ｔｏｒｒを超える場合には、大気圧との差が小さくなるため、排ガスＥを多量の窒素ガスで希釈しなければならなくなる。

本発明における第２の発明は、上記の排ガスの減圧除害方法を実施するための装置であって、例えば図１から図３に示すように、排ガスの減圧除害装置１０を次のように構成した。
すなわち、本発明の排ガスの減圧除害装置１０は、真空ポンプ１４を介して排ガス発生源１２より供給される排ガスＥをフレーム２２の燃焼熱で分解処理する反応室１８と、略大気圧に保持され、上記の反応室１８内に向けて上記フレーム２２を放出する燃焼室２０と、上記の真空ポンプ１４の排気口から上記の反応室１８に亘って減圧する後段真空ポンプ２４とを備える、ことを特徴とする。
減圧下の反応室１８内では、ガスの分圧が低く燃料を燃焼させてフレーム２２を得ることが困難である。そこで、この発明では、略大気圧に保持された燃焼室２０で燃料を燃焼させてフレーム２２を生成し、そのフレーム２２を反応室１８内に向けて放出することで、フレーム２２の燃焼熱を用いた減圧下での排ガスＥの分解処理を可能としている。

この第２の発明においては、前記反応室１８に分解・反応補助剤として水分，空気，Ｏ₂，Ｈ₂又は炭化水素ガスからなる群より選ばれる少なくとも１種を供給する分解・反応補助剤供給手段２６を設けることが好ましい。
この場合、排ガスＥ中にＳｉＨ₄やＮＦ₃などと言った可燃性の物質や有害な物質が主体で且つ多量に含まれる場合であっても、上記の分解・反応補助剤を加えることにより、これらの物質を安定な状態まで容易に分解したり反応で無害化したりすることができる。

また、第２の発明において、前記の燃焼室２０のフレーム出口２０ｂに前記フレーム２２を安定化させるフレーム安定化ノズル２８を設けるのが好ましい。
この場合、反応室１８内の排ガスＥの流れによるフレーム２２の失火などを防止して、フレーム２２の燃焼熱による排ガスＥの分解処理をより一層安定して行うことができるようになる。

本発明によれば、安全性を損なうことなく希釈用の窒素ガスの使用を極小化でき、エネルギー効率に優れた経済性の高い排ガスの除害方法とその装置とを提供することができる。

本発明の一実施形態の排ガスの減圧除害装置の概要を示す図である。 本発明における排ガスの減圧除害装置の反応筒の一例を示す正面視部分断面図である。 本発明における排ガスの減圧除害装置の反応筒の要部を示す説明図である。

以下、本発明の一実施形態を図１から図３によって説明する。
図１は、本発明の一実施形態の排ガスの減圧除害装置１０の概要を示す図である。この図が示すように、本実施形態の排ガスの減圧除害装置１０は、ＣＶＤ装置などの排ガス発生源１２より真空ポンプ１４を介して供給される排ガスＥを除害するための装置であり、反応室１８及び燃焼室２０を有する反応筒１６と、後段真空ポンプ２４とで大略構成される。

ここで、図１の実施形態では、排ガス発生源１２としてシリコン酸窒化膜ＣＶＤ装置の例を示している。典型的なシリコン酸窒化膜ＣＶＤ装置ではプロセスガスとしてＳｉＨ₄／ＮＨ₃／Ｎ₂Ｏ＝１ｓｌｍ／１０ｓｌｍ／１０ｓｌｍが、又、クリーニングガスとしてＮＦ₃／Ａｒ＝１５ｓｌｍ／１０ｓｌｍがそれぞれ使用されており、またクリーニング反応の生成物としてＳｉＦ_４が約１０ｓｌｍほど排出されるとみられる。使用済みとなったこれらのガスが排ガスＥとして真空ポンプ１４を介して減圧除害装置１０へと供給される。なお、シリコン酸窒化膜ＣＶＤのような半導体デバイスの製造プロセスでは、真空ポンプ１４として主にドライポンプが使用される。したがって、この真空ポンプ１４に供給されているＮ₂(窒素ガス)は、当該ポンプ１４の軸シールのために供給されるパージＮ₂である。

反応筒１６は、ハステロイ(登録商標)などの耐食性に優れる金属材料で形成され、その軸が上下方向を向くように立設された略円筒状のケーシング１６ａを有する(図２参照)。このケーシング１６ａの内部空間は排ガスＥを分解処理する反応室１８となっており、当該ケーシング１６ａの天面には、配管３０を介して真空ポンプ１４の排気口に連通する排ガス入口３２が設けられる。一方、当該ケーシング１６ａの下部には、水平方向に延びる管路１６ｃの基端部が接続され、その管路の先端には後段真空ポンプ２４の吸気口に直結する排ガス出口３４が設けられる。
また、ケーシング１６ａの排ガス入口３２の近傍には、必要に応じて、分解・反応補助剤供給手段２６より供給される水分などの分解・反応補助剤をケーシング１６ａ内の反応室１８に導入するためのノズル３６が取り付けられる。
そして、このケーシング１６ａの側周壁(内周壁)には、複数の燃焼室２０が当該ケーシング１６ａの周方向及び上下方向において多段多列にて取り付けられる。
なお、図２中の符号１６ｂは、ケーシング１６ａの外周を覆う断熱材を示している。

燃焼室２０は、ハステロイ(登録商標)などの耐熱性と耐食性とに優れる金属材料で形成されたチャンバー２０ａの内部に形成される。このチャンバー２０ａの内部は略大気圧に保持されており、その内部すなわち燃焼室２０で燃料を燃焼させてフレーム(＝火炎)２２を発生させると共に、発生したフレーム２２を反応室１８内へと放出する。

図３に示すように、燃焼室２０を形成するこのチャンバー２０ａの一面は、ケーシング１６ａの壁面に沿う形状に成形されると共に、ケーシング１６ａ壁面の一部を構成するよう当該ケーシング１６ａに一体的に組み込まれる。また、ケーシング１６ａに組み込まれたチャンバー２０ａの一面には、フレーム出口２０ｂが穿設されており、このフレーム出口２０ｂには、必要に応じてラバールノズル形状等のフレーム安定化ノズル２８が取り付けられる。そして、このチャンバー２０ａには、内部の燃焼室２０に向けて炭化水素系ガスなどの可燃性の燃料ガスを供給する燃料供給配管３８及びその内部に向けて酸素や空気などの酸化ガスを供給する酸化ガス供給配管４０が接続されており、更に、これらのガスを燃焼させてフレーム２２を発生させるための点火器４２が取り付けられる。

後段真空ポンプ２４は、真空ポンプ１４の排気口から反応筒１６の反応室１８に亘って所定の真空度まで減圧すると共に、反応室１８で除害処理された排ガスＥを吸引して排出するためのポンプである。本実施形態では、この後段真空ポンプ２４として水封ポンプを用いる。このため、後段真空ポンプ２４の排気口側には、この後段真空ポンプ２４から混ざった状態で排出される処理済の排ガスＥと封水とを分離させる気液分離コアレッサーなどのようなセパレーター４４が必要に応じて装着される(図１参照)。

ここで、後段真空ポンプ２４によって作り出される真空ポンプ１４の排気口から反応室１８に亘る排ガス通流領域の減圧状態は、１Ｔｏｒｒ以上で且つ４００Ｔｏｒｒ以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは１００±５０Ｔｏｒｒの範囲内である。減圧状態が１Ｔｏｒｒ未満の場合には、高度な真空環境を実現するために高価で大掛かりな装置が必要になり、逆に、減圧状態が４００Ｔｏｒｒを超える場合には、大気圧との差が小さくなるため、排ガスＥを大気圧下と同程度の多量の窒素ガスで希釈しなければならなくなる。

なお、本実施形態の排ガスの減圧除害装置１０には、図示しないが、燃焼室２０でのフレーム２２の生成や後段真空ポンプ２４等の作動に必要な各種検出機器，制御機器及び電源などが備えられていることは言うまでもない。

次に、以上のように構成された排ガスの減圧除害装置１０を用いた排ガスＥの減圧除害方法について説明する。
排ガス発生源１２から排出される排ガスＥは真空ポンプ１４を介して反応筒１６へと送られる。ここで、後段真空ポンプ２４を作動させることにより、排ガスＥは所定の減圧状態に保たれ反応室１８へと導入され、この反応室１８で燃焼室２０より放出されるフレーム２２の燃焼熱によって分解処理される。

本実施形態の排ガスの減圧除害方法によれば、排ガスＥを減圧状態に保ちフレーム２２の燃焼熱で分解処理するため、希釈用の窒素ガスが不要か極少量で足りる。また、このように窒素ガスでの希釈が不要か極少量で足りるため、フレーム２２の燃焼熱のほぼ全てを直接的に排ガスＥの分解・反応に使用することができる。したがって、これら２つの作用が相俟って、排ガスＥの除害装置を非常にコンパクトな構成にすることができるようになる。
さらに、排ガスの発生源から処理部までが減圧下にあるため、排ガスＥ中に人体にとって有毒なものが含まれる場合であってもフレーム２２の燃焼熱で分解処理される前に当該排ガスＥが系外へ漏れ出す心配はない。

なお、上記の実施形態は次のように変更可能である。
前記の反応筒１６として、ケーシング１６ａの側周壁(内壁)の周方向及び上下方向に複数の燃焼室２０を多段多列にて取り付ける場合を示したが、１つの燃焼室２０より放出されるフレーム２２で排ガスＥを十分に熱分解できるのであれば、反応筒１６に取り付ける燃焼室２０は１つであってもよい。また、ケーシング１６ａにおける燃焼室２０の取付箇所も上述のものに限定されるものではない。

前記の分解・反応補助剤供給手段２６より供給される分解・反応補助剤として水分を挙げたが、例えば、排ガスＥ中にＮＦ₃のようなＰＦＣｓ(パーフルオロコンパウンド)が多量に含まれ、分解・反応生成物として多量のＨＦが生成されるような場合には、中和剤(分解・反応補助剤)としてＫＯＨ水溶液やＮａＯＨ水溶液などのアルカリ水溶液を添加するのが好ましい。また、酸化処理する場合には、空気、酸素を添加する場合、或いは還元性のＨ₂やＣＨ₄のような炭化水素系ガスを入れる場合もある。

前記の後段真空ポンプ２４として水封ポンプを使用する場合を示したが、排ガスＥ除害処理後の分解生成物に水洗の必要がない場合などには、この水封ポンプに代えてドライポンプなどを用いるようにしてもよい。

前記の真空ポンプ１４と反応筒１６の排ガス入口３２とを配管３０で連結する場合を示したが、この真空ポンプ１４の排気口と排ガス入口３２とを直結するようにしてもよい。また、反応筒１６の排ガス出口３４と後段真空ポンプ２４の吸気口とを直結する場合を示しているが、反応筒１６の排ガス出口３４と後段真空ポンプ２４とを配管を介して接続するようにしてもよい。

その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行えることは勿論である。

１０：排ガスの減圧除害装置，１２：排ガス発生源，１４：真空ポンプ，１６：反応筒，１８：反応室，２０：燃焼室，２０ｂ：フレーム出口，２２：フレーム(火炎)，２４：後段真空ポンプ，２６：分解・反応補助剤供給手段，２８：フレーム安定化ノズル，Ｅ：排ガス．

Claims (3)

1. 真空ポンプ(１４)を介して排ガス発生源(１２)より供給される排ガス(Ｅ)をフレーム(２２)の燃焼熱で分解処理する反応室(１８)と、
   略大気圧に保持され、上記の反応室(１８)内に向けて上記フレーム(２２)を放出する燃焼室(２０)と、
   上記の真空ポンプ(１４)の排気口から上記の反応室(１８)に亘って減圧する後段真空ポンプ(２４)を備える、
   ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
2. 請求項１の排ガスの減圧除害装置において、
   前記の反応室(１８)に分解・反応補助剤として水分，空気，Ｏ ₂ ，Ｈ ₂ 又は炭化水素ガスからなる群より選ばれる少なくとも１種を供給する分解・反応補助剤供給手段(２６)を設けた、ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。
3. 請求項１又は２の排ガスの減圧除害装置において、
   前記の燃焼室(２０)のフレーム出口(２０ｂ)に前記フレーム(２２)を安定化させるフレーム安定化ノズル(２８)を設けた、ことを特徴とする排ガスの減圧除害装置。